Überraschende Neuigkeiten über Tiefbodenkohlenstoff

Diese Geschichte stammt aus dem Ag Research Journal des USDA ARS, verfasst von Ann Perry. Es ist aus mehreren Gründen interessant. Erstens stellt es Dinge in Frage, von denen wir dachten, wir wüssten sie über Bodenkohlenstoff und wo er im Bodenprofil vorkommt. Es repräsentiert auch eine Art von Wissenschaft, die schwer zu machen ist. Sie benötigen spezielle Ausrüstung und Probenahmetechniken, die über das übliche „Schicken Sie einen Doktoranden mit Schaufel und Eimer ins Feld“ hinausgehen und nicht durch ein typischeres, kostengünstiges Stipendium finanziert werden können. Schließlich bedeutet das Verständnis, wo Kohlenstoff gespeichert wird und wie wir diesen Prozess verbessern können, dass Landwirte und Viehzüchter Superhelden sein können, wenn es darum geht, den Planeten zu kühlen. Da jedes der letzten 3 Jahre als das heißeste seit Beginn der Aufzeichnungen bezeichnet wurde, könnte dies eine große Sache sein! Auf geht's, Superhelden!

Viele Agronomen glaubten jahrelang, dass sich signifikante Mengen an Bodenkohlenstoff nur nahe der Bodenoberfläche ansammelten. Als vier Wissenschaftler des Agricultural Research Service eine Forschungsarbeit einreichten, in der sie behaupteten, dass große Mengen an Bodenkohlenstoff bis zu einer Tiefe von 5 Fuß im Bodenprofil gespeichert wurden – und zwar sowohl durch einjährige als auch durch mehrjährige Pflanzen – hatten sie einige Probleme, ihre Arbeit durch den Überprüfungsprozess zu bringen .

Die Studie war ein 9-Jahres-Projekt, das die Auswirkungen von Stickstoffdünger und Erntebehandlungen auf die Sequestrierung von organischem Kohlenstoff im Boden in Rutenhirse und Direktmaiskulturen bewertete, die für die Biofutterproduktion bewirtschaftet wurden.

„Die Bindung organischen Kohlenstoffs im Boden hat einen großen Einfluss auf die langfristige Nachhaltigkeit der Produktion von Bioenergiepflanzen, da sie die Bodenfruchtbarkeit und die Treibhausgasemissionen erheblich beeinflussen kann“, sagt ARS-Genetiker Ken Vogel (im Ruhestand). „Daher ist die Verwendung genauer Sequestrationsraten für die Entwicklung von Lebenszyklusanalysen unerlässlich, die die langfristigen Umweltkosten und -vorteile der Produktion von Biokraftstoffpflanzen bewerten.“ [Anmerkung des Herausgebers:Aus diesem Grund haben sie mit der Forschung begonnen und sich die Pflanzen angesehen, die sie sich angesehen haben. Aber denken Sie daran, dass uns die Ergebnisse helfen zu verstehen, was auch in anderen Bereichen unter der Erde vor sich geht.]

Vogel, die Bodenwissenschaftler Ron Follett (im Ruhestand) und Gary Varvel sowie der Agronom Rob Mitchell führten ihre Studie auf geringfügig produktiven Feldern durch, die den Ackerflächen ähneln, die für die kommerzielle Switchgrass-Produktion geeignet wären. Mitchell und Varvel sind bei ARS-Forschungseinheiten in Lincoln, Nebraska. Follett war bei ARS in Fort Collins, Colorado.

Das Team richtete große Parzellen ein, die Geräte im Feldmaßstab aufnehmen konnten, und entnahm Bodengrundproben bis zu einer Tiefe von 5 Fuß, bevor die ersten Feldfrüchte angebaut wurden. Diese Basisproben zeigten, dass der Gehalt an organischem Kohlenstoff im Boden innerhalb des ersten Fußes des Untergrunds um bis zu etwa 18 Tonnen pro Acre schwankte, während der Kohlenstoffgehalt im Boden 5 Fuß unter der Bodenoberfläche um bis zu fast 90 Tonnen pro Acre schwankte. P>

Kohlenstoffspeicher im Boden:Jährlich vs. mehrjährig

Um dieses Phänomen zu untersuchen, pflanzten die Wissenschaftler dann zwei Switchgrass-Sorten und Direktsaatmais und brachten Stickstoffdünger mit drei verschiedenen Mengen von 54 Pfund pro Acre bis etwa 160 Pfund pro Acre auf. Stickstoffdünger unterstützen die Biomasseproduktion, und die Wissenschaftler wollten sehen, ob die Produktion von mehr pflanzlicher Biomasse zu einer Bindung von mehr Kohlenstoff im Boden führt. Einige Switchgrass-Parzellen wurden auch ohne Stickstoffzusätze beibehalten.

Nachernte-Ernterückstände oder „Stover“ – die ebenfalls zum Bodenkohlenstoff beitragen – wurden auf der Hälfte der Direktsaat-Maisfelder nicht entfernt; Auf anderen Feldern wurde die Hälfte des Herders entfernt. Nachdem die Kulturen etabliert waren, beprobten die Forscher die Böden in den Produktionsfeldern in 3-Jahres-Intervallen erneut.

Was war ihre größte Überraschung? Im Direktsaat-Maisfeld stieg der Gehalt an organischem Kohlenstoff im Boden im Laufe der Zeit in allen Tiefen, bei allen Stickstoffbehandlungen und bei beiden Arten des Nachernte-Herdmanagements. Fast alle Anstiege waren statistisch signifikant. Maiskörnererträge waren am größten auf Feldern, die mit 107 Pfund Stickstoff pro Acre verändert wurden und wo kein Storno entfernt worden war, eine Managementstrategie, die zu einem durchschnittlichen jährlichen Anstieg des Bodenkohlenstoffs von über 0,9 Tonnen pro Acre führte.

In den Switchgrass-Parzellen beobachteten die Forscher auch beeindruckende Zunahmen der Bodenkohlenstoffbindung im gesamten Bodenprofil. Die Bindungsraten stiegen mit zunehmender Stickstoffdüngungsrate, und fast alle Erhöhungen des Bodenkohlenstoffs waren statistisch signifikant.

Wie sie bei den Direktsaat-Maisparzellen beobachteten, wurden mehr als 50 Prozent des Bodenkohlenstoffs zwischen 1 und 5 Fuß unter der Bodenoberfläche gefunden. Die durchschnittliche jährliche Zunahme des organischen Kohlenstoffs im Boden in den ersten 5 Fuß des Unterbodens überstieg ebenfalls 0,9 Tonnen pro Acre pro Jahr, was 3,25 Tonnen Kohlendioxid pro Acre pro Jahr entspricht.

„Wir hatten nicht erwartet, diese Kohlenstoffspeicher in der Tiefe des Bodens zu finden, obwohl wir immer wussten, dass Pflanzenwurzeln so tief reichen, weil wir nicht wussten, wie sehr die Aktivität um die Wurzeln herum den Kohlenstoffhaushalt des Bodens beeinflussen kann“, sagt Follett. „Die meisten Studien untersuchen Böden nur bis zu einer Tiefe von 18 Zoll auf Kohlenstoff.“

Aufgrund ihrer Ergebnisse kam das Team zu dem Schluss, dass die Berechnung der Kohlenstoffbindungsraten im Boden für Bioenergiepflanzen keine Einheitslösung ist. Pflanzenauswahl, Bodenunterschiede, Umweltbedingungen und Bewirtschaftungspraktiken wirken sich von Region zu Region unterschiedlich auf die Sequestrierungsraten aus. Infolgedessen werden die Produktionsmodelle für Bioenergiepflanzen wahrscheinlich einige größere Anpassungen benötigen.

„Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass die Kohlenstoffbindungsraten, die in aktuellen Lebenszyklusanalysemodellen für Bioenergiepflanzen verwendet werden, wahrscheinlich zu Unterschätzungen der Kohlenstoffbindung im Boden führen“, sagt Vogel. „Es zeigt auch, wie wichtig Stickstoffänderungen und andere Managemententscheidungen sind, wenn es um Mais und Kohlenstoffbindung geht – und dass einjährige Pflanzen einen wichtigen Beitrag zum Bodenkohlenstoff leisten können.“

Die Arbeit wurde von Bioenergy Research akzeptiert und 2012 veröffentlicht. Aber obwohl die Ergebnisse so überraschend waren, hatten zwei andere ARS-Studien eine ähnliche Dynamik hervorgehoben

Einjährige Ernten mit langanhaltender Wirkung

Im Jahr 2011 wurden Ergebnisse einer damit verbundenen Langzeit-Bodenkohlenstoffstudie, die von Varvel und seinem ARS-Kollegen Wally Wilhelm (verstorben) durchgeführt wurde, in Soil &Tillage Research veröffentlicht. Die Forscher hatten den Kohlenstoffgehalt im Boden auf Feldern untersucht, die 1980 für drei verschiedene unbewässerte Anbausysteme – kontinuierlicher Mais, kontinuierliche Sojabohnen und eine Sojabohnen/Mais-Rotation – die mit sechs verschiedenen Bodenbearbeitungssystemen bewirtschaftet wurden, untersucht wurden.

Im Jahr 1999 sammelten Varvel und Wilhelm im Rahmen der Studie Bodenproben von diesen Feldern in mehreren Abständen bis zu einer Tiefe von 5 Fuß. Sie fanden heraus, dass Bodenbearbeitung und Pflanzenauswahl unabhängig voneinander den Stickstoff- und Kohlenstoffgehalt im Boden beeinflussten und dass sich die höchsten Stickstoff- und Kohlenstoffgehalte im kontinuierlichen Maisanbausystem unter Direktsaat angesammelt hatten. Aber wie bei der späteren Studie war die größte Überraschung, wie viel Stickstoff und Kohlenstoff sich bei allen Anbau- und Bodenbearbeitungssystemen im Bodenprofil zwischen 12 Zoll und 5 Fuß ansammelten.

„Als wir diese Proben sammelten, glaubten viele Bodenwissenschaftler, dass einjährige Feldfrüchte in herkömmlichen Bodenbearbeitungssystemen keinen Kohlenstoff binden, daher waren die Ergebnisse ein Schock“, sagt Varvel. „Durch die Durchführung einer Langzeitstudie konnten wir jedoch beobachten, was mit der Kohlenstoffbindung im Boden passiert, sobald ein Managementsystem eingerichtet ist und die Schwankungen von Jahr zu Jahr abnehmen.“ Er merkte auch an, dass die Identifizierung dieser tieferen Kohlenstoff- und Stickstoffvorräte den Erzeugern dabei helfen kann, ein Bodenbearbeitungsmanagement effektiver auszuwählen, das dazu beiträgt, diese Nährstoffe im Boden zu halten.

Diese Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen einer 2013 veröffentlichten 8-jährigen Studie überein, die Follett zur Kohlenstoffbindung in bewässerten kontinuierlichen Maissystemen mit Direktsaat und konventioneller Saat in der Nähe von Fort Collins durchgeführt hat. Er und der Bodenwissenschaftler Ardell Halvorson aus Fort Collins fanden heraus, dass Direktsaat-Management zu einem höheren Kohlenstoffgehalt im Boden führte als konventionelle Bodenbearbeitung und dass sich diese Werte im Laufe der 8 Jahre nicht wesentlich veränderten.

„Ein Teil des Bodenkohlenstoffs in diesen Böden ist Tausende von Jahren alt und sehr stabil, daher war sein Verschwinden eine Überraschung“, sagt Follett, der die Ergebnisse im Soil Science Society of America Journal veröffentlichte. „Die regelmäßige Bewässerung des typischerweise halbtrockenen Bodens könnte einer der Faktoren sein, die zu dem Kohlenstoffverlust führten, aber wir müssten zusätzliche Studien durchführen, um dies festzustellen.“

Follett stellt fest, dass die Bodenmikrobengruppen in diesen Umgebungen noch identifiziert werden müssen, ebenso wie die Umweltveränderungen, die es diesen Mikroben ermöglichen, leichter auf den Kohlenstoff für ihren eigenen Gebrauch zuzugreifen. Er teilt auch Varvels Überzeugung, dass diese Ergebnisse unterstreichen, wie Landwirte Direktsaat-Management einsetzen können, um Bodenkohlenstoff tief im Bodenprofil zu erhalten – und den Wert von Langzeitstudien für das Verständnis der Kohlenstoffdynamik im Boden.

„Es braucht Zeit, bis neue Managementsysteme Auswirkungen auf den Kohlenstoff im Boden haben. Die Identifizierung dieser Effekte kann Langzeitstudien, Probennahmen tiefer im Bodenprofil und den Einsatz fortschrittlicher Messtechniken erfordern“, sagt Follett. „Wir suchen nach kleinen Veränderungen in einem großen Pool.“

Diese Forschung ist Teil von Pasture, Forage, and Rangeland Systems (#215), Bioenergy (#213) und Climate Change, Soils, and Emissions (#212), drei nationalen ARS-Programmen, die unter www.nps.ars beschrieben werden .usda.gov. Um die in diesem Artikel erwähnten Wissenschaftler zu erreichen, kontaktieren Sie Ann Perry, USDA-ARS Information Staff, 5601 Sunnyside Ave., Beltsville, MD 20705-5128; (301) 504-1628.

„Ein überraschender Vorrat an Tiefbodenkohle “ wurde in der Februarausgabe 2014 des Magazins Agricultural Research veröffentlicht.